共模电感感量设计过大带来的影响

1.背景介绍

某升降门控制器应用在民用场合，需要满足CISPR11 class B group 1限值要求，在做认证摸底测试时，电源端口传导发射（CE）超标严重，研发人员整改三个星期无改善，因认证时间节点压力，寻求帮助分析整改。

2.整改分析

2.1升降门控制器系统简述

升降门控制器系统单相AC220V供电，经变压器转换成24V后，再经过24V电源板给DC电机供电，参见图1。

（a）实物图（打码照）

（b）布局接线示意图

图1 升降门控制器系统示意图

系统概述：

1）系统所有线缆均使用单根单芯非屏蔽线缆，LN和DC+-线缆无捆扎，无双绞；

2）电源接口与滤波板间线缆约为20cm，滤波板与变压器线缆约为15cm，变压器与24V电源板约15cm，24V电源板与直流电机线缆约25cm；

3）升降门控制器系统采用非金属机身，只有直流电机齿轮箱为金属的结构地。电源接口PE线先接到结构地（长度约20cm），然后再接到滤波板上（长度约10cm）；

4）直流电机线与输入电源线平行邻近走线，并行距离约15cm；

5）直流电机电极处进行10nf滤波，滤波板采用LC拓扑，L感量为30mH。

图2 滤波拓扑与参数

以上状态下的测试结果：

图3 初扫描测试结果

有结果可知，基本上20MHz以下频段全都超标，特别是2.4MHz和12MHz频点超标15db以上。

2.2整改分析

升降门控制器研发人员已经将共模电感设计到30mH，感值较大。对于此类产品一般7-8mH共模电感已经完全足够，明显是滤波设计不合理。同时部件布局使得输入电源线缆处于噪声回流环路中，会产生场耦合，削弱滤波器作用，参见图4示意图。

图4 近场耦合示意图

主要的设计缺陷点：

1）滤波器布局没有放置到电源输入端口。

2）滤波器输入线缆太长，且平行于输出线缆走线，且处于噪声环流中；

3）滤波器无机壳屏蔽，且接地线细而长，无法保证接地的可靠性；

4）24V电源板无接滤波设计。

针对上述分析，整改如下：

1）电感引起的谐振分析：

回路滤波电感30mH，共模滤波电容2*4.7nf，拆除滤波器后的线路共模分布电容3nf-5nf左右，全路径通过谐振计算：

≈2.4MHz。

与测试谐振点对应上，说明2.4MHz左右频点是因为电感值过大导致的，更换10mH电感后，结果如图5，谐振点发生偏移，且幅值减小。

图5 更换10mH电感测试结果

共模电感感量设计过大带来的影响：

◎使得线圈绕制过密，分布电容增大使得频谱特性变差；

◎容易使得磁芯饱和，为保证不饱和，需要使用更大的磁芯尺寸或采用气隙设计；

◎有较大的压降，且存在过热的风险；

◎过密的线圈绕制，增加料本的同时，增加绕线工时，使得成本上升；

滤波参数设计，不能盲目追求感量越大越好，要有的放矢，否则会适得其反。

2）近场耦合分析：

有图4示意图可知，输入电源线缆会遭受场耦合干扰。所以，将电源输入线缆和滤波板远离电机线，处理方法参见图6 。

图6 电源接口与滤波板远离电机线

当电源接口与滤波板远离干扰回流路径时，15MHz以下频段效果改善15db以上，参见图7。

图7电源接口与滤波板远离电机线测试结果

滤波器的布局要靠近端口，且应就近可靠接地，同时要保证输入输出线缆分开走线，不能并行或捆扎在一起走线。

3）24V电源板滤波设计分析：

经过1）和2）步整改后，18MHz左右频点依然超标，经排查此频点为24V电源板产生。经过对24V电源板端口滤波分析发现，端口无滤波，使得18MHz左右的频点噪声路径得不到有效的控制而流经LISN（路径①和②），使得结果较差，示意图参见图8。

图8 18MHz频点噪声回路示意图

整改方法：

在24V电源板上输入和输出端口增加两处4.7nf的共模滤波，在路径①和②的基础上，增加了③和④路径，使得路径①和②中的噪声电流减弱，改善测试结果，噪声路径分析参见图9所示，测试结果参见图10。

图9 加滤波后的噪声路径分析示意图

图10 24V电源板端口加滤波后结果

2.3落地设计分析

因结构已经开模，各部件布置和走线方式无法变更，且24v电源板内部电源为外购模块，无法从源头进行抑制，只能从路径下手。在24V电源板输入输出端口加滤波的措施外，输入电源接口到滤波器间线缆采用屏蔽线，同时滤波器采用屏蔽罩屏蔽，注意屏蔽线和屏蔽罩的可靠搭接。

落地设计滤波参数参见表1：

表1 落地设计滤波参数

屏蔽处理参见图11所示：

（a）线缆及滤波屏蔽示意

（b）整改时铜箔屏蔽处理示意

图11 屏蔽处理

设计落地后测试结果（采用屏蔽线和屏蔽罩代替铜箔等临时处理手段）：

图12 设计落地测试结果

3.思考与启示

1）共模电感的感量不能盲目增加，要有的放矢，否则会适得其反产生不必要的谐振；

2）部件布局与走线设计中，要避免输入与输出线的并行走线及噪声环路的场耦合；

3）分析噪声路径，人为进行滤波路径控制，减小流入LISN的噪声信号；

4）非屏蔽电源线缆，应进行双绞处理，减小环路面积；

5）场耦合可采用屏蔽进行抑制，注意搭接的可靠性；

6）滤波接地线缆尽量短，且线径不小于功率线线径。

7）系统化分析噪声源与路径，不能把端口滤波器作为唯一的整改手段，而拼命的加大滤波；

8）工程师要具备EMC设计理念，参与到前期设计中，特别是结构设计中，避免后期“擦屁股”。
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